復雜條件下市政道路工程污水管網暗挖頂進施工技術

姚旭君

(中國水利水電第七工程局有限公司一分局，四川彭山 620860)

1 工程概述

某市政道路工程位于成都市天府新區范圍內，該市政道路工程為城市快速道路，設計線路全長18.9km，設計道路紅線寬度60m，其路幅組成:3.5m人行道+10.5m輔道+5m分隔帶+22m主車+5m分隔帶+10.5m輔道+3.5m人行道。其中K0+900～K1+350段排水工程設計污水管為D1000，埋深13～15m。根據該段地勘資料，該地層主要為中等風化的砂質泥巖，巖石硬度較大;同時，該段道路兩側均為高檔住宅小區，緊鄰道路紅線，根本無法采用大面溝槽爆破施工。若采用沖擊破碎錘進行槽挖施工，不僅施工難度較大，而且溝槽施工進度和回填質量均無法保證。因此，對該段污水管網采用暗挖頂進施工技術。

2 施工工藝流程

施工準備→測量放線→工作坑施工→設備安裝→頂進施工→測量糾偏→下節管道吊裝→管道貫通→管周注漿→檢查井砌筑→井坑回填。

3 暗挖頂進施工

對工作坑施工、設備安裝及頂進施工3個施工關鍵技術進行了敘述。

3.1 工作坑施工

施工均考慮利用污水管檢查井作為工作井和接收井，工作井設計尺寸為5m×5m正方形操作面。

3.1.1 工作井開挖

由于工作井基坑深度大、周邊施工條件復雜，最終采用人工配合旋挖鉆進行開挖。場平完成后，根據工作井的中心坐標定出基坑中心樁、縱橫軸線控制樁及基坑開挖邊線。首先采用扭矩為240kN·m、額定功率300kW的大型旋挖鉆機按照工作井設計尺寸依次連續造孔。鉆孔深度低于污水管底部0.5m。為保證成井質量，鉆孔直徑為:周邊孔1～1.5m，中孔為2m。采用旋挖鉆成型后，工作井基坑實際尺寸略大于設計尺寸，滿足工作井凈空尺寸的要求。同時，采用人工對井坑周邊遺留棱角及遺留巖柱進行處理。

3.1.2 工作井支護

基坑開挖完成后，為保證基坑邊坡穩定，確保其能夠抵抗巖石風化、雨水及地下滲水沖刷，對整個基坑周邊及孔口1.5m方位進行噴錨支護。對井口及井口以下3m部位進行加強鎖口:采用長2.5m、間距 1.5m ×1.5m 的 φ22 鋼筋錨桿、100 mm×100mm的φ6鋼筋網掛網及噴護厚度為10 cm的C25混凝土聯合支護。井周3m以下部位風化砂質泥巖層相對比較穩定，采用素噴厚度為8～10cm的C25混凝土進行支護。

3.1.3 后背墻設計

后背墻是千斤頂的支承結構，后背墻必須有足夠的強度且表面平整，本工程采用的后背墻構造如下:貼井壁垂直澆筑一層薄壁找平混凝土，混凝土采用C30混凝土現澆，寬2.5m，高2.5m，厚0.3m。在千斤頂作用點的位置預埋厚度為30 mm、尺寸為 1.5m ×1.5m 的鋼板。

3.1.4 井坑基礎處理及排水

本工程工作井基坑底板采用厚度為15cm的C15混凝土進行找平。工作井基礎周圍設尺寸為30cm×30cm的排水明溝，基坑一角設一個尺寸為100cm×100cm的集水井，使用水泵將基坑內的水抽排出坑外，集水井頂部設置井篦，防止人員失足受傷。

3.1.5 安全防護

為保證施工安全，在距離基坑開挖邊線1m處設高1.2m的安全防護欄，防護欄用φ48鋼管焊接。為防止基坑上部碎石掉落傷人，在欄桿底部設置高度為20cm的磚砌踢腳板，兼顧地表擋水。

為方便進出工作井，在直井段的井壁設置全封閉式爬梯，爬梯采用∠75mm×75mm×6mm角鋼做骨架，梯步采用φ25螺紋鋼筋與角鋼骨架焊接牢固，梯步步高30cm，爬梯寬度為0.7m。

3.2 設備安裝

3.2.1 旋臂吊安裝

本工程采用最大起重量為500kg的旋臂吊。安裝前，選好起吊位置，在該處澆筑厚度為30 cm、尺寸為4m×4m的C30混凝土操作平臺，按旋臂吊位置埋設20mm厚鋼板和地腳螺栓，同時分別在鋼板位置分別設置4根長3.5m的φ25巖石錨桿并確保錨桿與鋼板可靠焊接。

3.2.2 頂進設備安裝

(1)導軌安裝。

導軌安裝是頂管施工中的一項重要工作，安裝的準確與否直接影響管子的頂進質量，導軌材料選用18kg/m的輕型鋼軌，導軌內距A按下式計算:

式中 D為待頂管外徑，1.2m;h為導軌高，本工程用QU100導軌，高度為0.14m;e為管外壁與軌枕表面垂直凈距，為0.01～0.03m，此處取值為 0.03m。

導軌安裝前，首先由測量人員在基坑底板標定出管道中心線，并用水準儀將高程引測至邊壁上，導軌吊裝到位后，由測量人員實時監測導軌安裝過程，嚴格保證導軌位置、坡比滿足施工要求。導軌安裝的允許偏差為:軸線位置小于3mm;頂面高程+3mm;兩軌內距±2mm。調校合格后，使用道釘將導軌固定在方木基礎的軌枕上。

(2)頂進設備安裝。

采用300t螺旋千斤頂作為主頂，千斤頂行程為1.2m。千斤頂后端用方木和分壓環將反力均勻作用于后背墻，前端頂進分壓環(分壓環制作與管端面接觸相對平整，無變形)，頂鐵將頂力傳至管節。主頂安裝與管道中心的垂線對稱且兩邊等距，千斤頂坡度同污水管設計坡度，其合力的作用點應在管道中心的垂直線上。

3.3 頂進施工

3.3.1 頂進力計算

頂進力計算公式:

式中 Fp為頂進力，kN;Do為管道的外徑，m;φ 1000混凝土管外徑為1.2m;L為管道設計頂進長度，m;本工程最大頂進長度為42m;鑒于本工程管道外壁直接與導軌接觸，不與頂洞巖壁發生接觸或很少接觸，因此，此處僅考慮管道與導軌的摩擦阻力，管道外壁與導軌的單位面積平均摩擦阻力通過下式計算:fk= μN=0.5 ×6.91=3.455 kN/m2。式中:μ為滑動摩擦系數;鋼筋混凝土管道與導軌間滑動摩擦系數取值為0.5;N為管道單位面積正壓力，N=mg=0.7056 ×9.8=6.91(kN);NF為頂管機迎面阻力;人工挖掘:NF=π(Dg－t)tR=146.95(kN);Dg為頂管機外徑，m，本工程選1.036m;t為工具管刃角厚度，m，本工程選0.1m;R為擠壓阻力，取300～500kN/m2，本處選最大值500kN/m2。

經計算，頂進力 Fp=693.7kN，約等于70.79 t。

本工程后座主要受力體為工作井井壁，工作井井壁為中等風化砂質泥巖。根據地勘資料，中等風化砂質泥巖天然抗壓強度標準值為3.9MPa(3900kN/m2)，后座的土抗力R為3900×3.14×0.5182=6343.43(kN)，約合647t;R 應為總頂進力Fp的1.2～1.6倍。經過以上計算，反力R=647t＞總頂進力1.6Fp(1.6 ×70.79=113.26t)，后背墻的承載能力滿足頂管施工要求。

本工程采用的設計頂管管道破壞荷載為0.0513kN/mm2。頂管時所用頂鐵為22a工字鋼，其與管道接觸面積為0.11m×0.1m×2=0.022(m2)，則污水管單位面積承受荷載為693.7 kN ÷ 0.022m2=31531.82kN/m2=0.032kN/mm2。經上述計算可知，污水管承受的頂進荷載0.032kN/mm2＜0.0513kN/mm2，管道能夠承受最大頂進42m時所施加的頂進荷載。

3.3.2 頂進施工

在頂管施工中，對管道施工精度要求特別高。施工必須嚴格按照設定的管道中心線和工作坑位建立地面與地下的測量控制系統。在井坑內測設至少2個導向點，頂管頂進時依靠導向點進行方向及坡度控制。同時，為滿足頂管施工精度要求，在施工中使用激光經緯儀及水準儀對管道垂直方向及水平方向進行測控和校核。

本工程采用D1000頂管專用污水管，頂管段為中等風化砂質泥巖區域。為保證管道順利頂進，頂洞開挖直徑為1500mm，頂洞底部考慮需安裝導軌，可做適當超挖(超挖約15cm)。頂洞采用直徑為150～200mm金剛石直筒空心鉆機取芯進行大面巖石開挖。由于頂洞空間狹小，通風不暢，因此，鉆進過程中采取注水鉆進，以避免產生大量粉塵。邊角部位棱角、突起及遺留的巖柱采用風鎬、鎬頭、沖擊錘及手錘等進行處理，對于破碎下來的巖石，人工搬運或用短把鍬裝車，人工拖動運輸斗車輸送到管道以外的頂坑內，用設在頂坑上方的旋轉臂卷揚機將土吊出井坑集中堆放。

本頂管段巖石情況較好，在人工開挖時，每次掘進10～15m(掘進長度可視巖石變化做出相應調整)后，再頂進一次。頂進過程中，隨著管道延伸，在管道外側四周設置4根φ25的注漿花管，以備后期管道與洞壁之間回填灌漿用。

4 結語

本工程成功采用暗挖污水管網頂進施工技術，滿足了在復雜環境下進行地下管網施工的條件，加快了整段道路的施工進度，路基回填質量控制良好，同時，施工中減少了噪音及粉塵污染，具有顯著的經濟、社會及環保效益。